cấu hỏi ôn tập VẬT LIỆU ĐIỆN

Dựa vào thành phần dẫn điện dẫn, chia làm 3 loại: + Điện dẫn điện tử: thành phần là các điện tử tự do trong điện môi + Điện dẫn ion: điện dẫn điện phân thành phần là các ion âm và ion

Câu 1: Các trạng thái cơ bản của vật chất, đặc điểm chính của từng trạng thái? + Các trạng thái cơ bản của vật chất: Rắn, Lỏng, Khí

Chất khí:

- Là tập hợp các nguyên tử hoặc phân tử có liên kết yếu với nhau, gần như độc lập với nhau

- Chất khí không có hình dạng riêng và khối lượng riêng

- Một chất khí có xu hướng chiếm toàn bộ không gian có sẵn

Chất lỏng:

- Các phần tử liên kết yếu với nhau –> chất lỏng dễ bị biến dạng Khó nén và có tính nhớt:

* Độ nhớt thể hiện sự gắn kết của các phần tử với nhau

* Khi 1 chất lỏng đi qua 1 vật thể, độ nhớt càng lớn thì chất lỏng càng khó đi qua

Chất rắn:

- Không có các điện tích tự do giữa các phân tử hoặc ở giữa các ion

- Các phân tử hoặc nguyên tử trong chất rắn liên kết chặt chẽ với nhau bởi các liên kết hóa học

- Chất rắn có hình dạng riêng và khối lượng riêng

Câu 2: Lí thuyết phân vùng năng lượng, dựa vào đó phân loại vật liệu?

+ Lí thuyết vùng năng lượng trong vật rắn:

- Cấu trúc năng lượng của 1 nguyên tử đứng cô lập có dạng là các mức năng lượng rời rạc ( Wi )

- Khi đưa các nguyên tử lại gần nhau, do tương tác, các mức năng lượng rời rạc Wi này

bị suy biến thành những dải gồm nhiều mức khác nhau => gọi là cac vùng năng lượng

- Tùy theo tình trạng các mức năng lượng trong 1 vùng có bị điện tử chiếm chỗ hay không, người ta phân biệt 3 loại vùng năng lượng khác nhau

* Vùng hóa trị (vùng đầy) : trong đó tát cả các mức năng lượng đều bị chiếm chỗ,

không cnf trạng thái năng lượng tự do

* Vùng dẫn (vùng trống) : trong đó các mức năng lượng đều còn bỏ trống hay chỉ bị

chiếm chỗ 1 phần

* Vùng cấm : không tồn tại mức năng lượng nào để điện tử có thể chiếm chỗ hay xác

suất tìm hạt tại đây bằng không

+ Phân loại vật liệu : Tùy theo vị trí tương đối giữa 3 vùng trên, các chất rắn cấu trúc tinh thể được chia là 3 loại ( ở 00K )

VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN

I Phân loại VLCĐ:

- VLCĐ thể khí: không khí,…

- VLCĐ thể lỏng: dầu MBA,…

- VLCĐ rắn: thủy tinh, sứ,…

II Các tham số đặc trưng:

1 Điện trở suất

- Đặc trưng cho khả năng chống lại sự di chuyển của dòng điện

 = R

l

S

(m) (mm2/m) Trong đó: R- Điện trở (); - Điện trở suất ( mm2/m)

S- tiết diện dây dẫn (mm2) ; l- Chiều dài dây dẫn(m)

+ Điện dẫn suất  : γ =1 1

ρ m ( Simen/m)

1.1 Điện trở suất khối: Điện trở của khối lập phương có cạnh 1cm được hình dung

cắt ra từ vật liệu khi dòng đi qua 2 mặt đối diện khối lập phương đó

S

ρ = R ( )

h cm Trong đó : RV : điện trở suất của khối mẫu () ; S: tiết diện của điện cực đo (cm2)

h: chiều dày của khối điện môi (cm)

1.2 Điện trở suất mặt: Điện trở suất của 1 hình vuông bề mặt vật liệu khi dòng điện đi

qua 2 cạnh đối diện

S S

d

ρ = R (Ω)

h Trong đó : RS : điện trở mặt của khối mẫu () ; d: chiều dài của điện (cm)

l: khoảng cách giữa 2 cực (cm)

2 Khái niệm cách điện

+ Lí thyết: chất không chứa các điện tích tự do Khi đặt dưới 1 điện trường cố định sẽ không có bất cứ sự dẫn nào xuất hiện

+ Thực tế: không tồn tại chất cách điện như trên

- Chất cách điện tốt:  > 1013 m

- Chất cách điện xấu:  < 1013 m

3 Hằng số điện môi

Khi đặt điện môi vào trong điện trường E => Xảy ra quá trình phân cực Cực dương xuất hiện điện tích âm, cực âm xuất hiện điện tích dương Điện môi được xem như là 1 tụ điện C

- Có thể coi cả khối như một tụ điện có điện tích

Q = C.U (C: điện dung của tụ điện; U: đ/a đặt vào tụ )

Q = Q0 + Q’ Q0 : đtích của tụ điện mà giữa 2 bản cực là chân không

Q’ : đtích sinh ra bởi quá trình phân cực của điện môi

 Hằng số điện môi: Là khái niệm khá quan trọng trong vật liệu cách điện

 = Q/Q0 = (Q0+Q’)/Q0 = 1+Q’/Q0 1

-  = 1 khi môi trường giữa 2 bản cực là chân không (  trong hệ ST)

0 = 1/(4..9.109) (F/m)

 không phụ thuộc vào hệ đơn vị đo, gọi là hằng số đm tương đối từ:

 = Q/Q0 => Q = .Q0  C.U =  (C0.U)

=>  =C/C0

4 Điện dẫn của điện môi

- Xét mô hình điện môi có dạng hình trụ như sau:

S

l = v

Trong đó: S: tiết diện, v: vận tốc trung bình của các điện tích

Gọi n là mật độ điện tích tự do, q là điện tích của 1 phần tử

Khi đặt điện môi vào trong điện trường E

+ Điện tích dương đi về cực âm, điện tích âm đi về cực dương => tạo nên dòng điện trong điện môi,

 Dòng điện trong điện môi

Q = n.q.V = n.q.S.v = I

( V: thể tích của hình trụ ) Mặt khác I = j.S ( j: là mật độ dòng điện A/ m2)

 n.q.S.v = I =j.S => j = n.q.v

Chú ý: - Các điện tích tự do có thể là: các điện tử, ion dương, ion âm, các khối mang điện tích Vận tốc trugn bình của các điện tích khác nhau

Gọi v(+), v(-) là tốc độc trung bình của các điện tích dương và âm, ta có:

Với K(+), K(-) là độ linh hoạt của các điện tích dương và ấm ( đại lượng đặc trưng cho khả năng chuyển động của chúng dưới tác động của từ trường ngoài )

 j = n(+) q (+) v(+) + n(-) q (-) v(-)

= ( n(+) q (+) K(+) + n(-) q (-) K(-)) E

Câu 3: Các loại điện dẫn của điện môi

- Trong vật liệu cách điện có nhiều loại điện tích tự do khác nhau tham gia vào quá trình điện dẫn Dựa vào thành phần dẫn điện dẫn, chia làm 3 loại:

+ Điện dẫn điện tử: thành phần là các điện tử tự do trong điện môi

+ Điện dẫn ion: ( điện dẫn điện phân ) thành phần là các ion âm và ion dương

+ Điện dẫn điện di: ( điện dẫn molion) thành phần là các nhóm phân tử hay tạp chất

được tích điện tồn tại trong điện môi Chúng được tạo nên bởi ma sát trong quá trình chuyển động nhiệt

PHÂN CỰC CỦA ĐIỆN MÔI

* Lưỡng cực phân tử

Mỗi phân tử của chất điện môi gồm 2 thành phần:

+ Các hạt nhân nguyên tử mang điện tích dương

+ Các electron mang điện tích âm quay quanh các hạt nhân

 Bình thường các phân tử của chất điện môi trung hòa về điện

Về phương diện:

+ Thay phần điện tích âm của các e bằng điện tích “–q” đặt tại trọng tâm điện tích âm

“O -”

+ Thay phần điện tích dương của các hạt nhân bằng điện tích “+q” đặt tại trọng tâm điện tích âm “O +”

- Do có sự phân bố các e quanh hạt nhân, điện môi được chia là 2 loại

+ Loại 1: Có các e phân bố không đối xứng quanh hạt nhân, tâm điện tích âm O – và

tâm điện tích dương O + cách nhau 1 đoạn l

 Phân tử trở thành lưỡng cực điện ( lưỡng cực phân tử ) moomen lưỡng cực G hướng từ O- đến O +

+ Loại 2: Có các e phân bố đối xứng quanh các hạt nhân, tâm điện tích âm O – và tâm

điện tích dương O – trùng nhau

 Phân tử không trở thành lưỡng cực điện

* Phân cực điện môi

Xét 1 điện môi đặt trong 1 điện trường

- Điện môi loại 1: ( phân tử lưỡng cực)

- Khi chưa có điện trường Eng = 0: các lưỡng cực phân tử sắp xếp hỗn loạn theo mọi phương do chuyển động nhiệt => Tổng vecto của các momen lưỡng cực phân tử bằng không Trên khối điện môi không cuất hiện các điện tích

- Khi có điện trường ngoài Eng # 0: mỗi lưỡng cực phân tử có xu hướng quay sao cho momen lưỡng cực của nó có phương và chiều trùng với chiều của Eng

Nhận xét: - Nếu Eng càng lớn và chuyển động nhiệt của các phân tử càng yếu ( nhiệt

độ thấp ) thì sự định hướng của các momen lưỡng cực càng mạnh

- Nếu Eng đủ lớn các lưỡng cực phân tử có thể coi như nằm són song với nhau theo phương chiều của điện trường ngoài

=> Khi đó:

- Bên trong khối điện môi các điện tích âm và dương của các phân tử trung hòa nhau

- Ở 2 mặt giới hạn của các điện môi vẫn tồn tại các điện tích âm và dương

+ q

- q

- q + q

Eng # 0

- Điện môi loại 2: ( phân tử không lưỡng cực)

- Khi chưa có điện trường Eng = 0: trọng tâm điện tích dương và âm của các phân tử trùng nhau Trong khối điện môi không có các lưỡng cực phân tử Trên mặt các điện môi không xuất hiện các điện tích

- Khi có điện trường ngoài Eng # 0: các trọng tâm điện tich âm và dương của các phân

tử tách nhau ra Mỗi phân tử trở thành 1 lưỡng cực điện có momen lưỡng cực sắp xếp theo chiều của Eng Quá trình xảy ra giỗng như trường hợp trên: trên mặt giới hạn của khối điện môi xuất hiện các điện tích trái dấu

KẾT LUẬN:

- Với cả 2 loại điện môi, khi đặt vào Eng thì ở trên 2 mặt giới hạn của khối điện môi đều xuất hiện các điện tích trái dấu ( các điện tích liên kết)

- Tùy theo chất điện môi, điện tích của các lưỡng cực phân tử sẽ lớn hay nhỏ

- Tùy thuộc vào độ lớn của Eng, các phân tử lưỡng cực sẽ quay theo hướng nhiều hay ít

=> Mức độ phân cực của 1 chất điện môi phụ thuộc vào: Bản chất của điện môi và cường độ điện trường bên ngoài Eng

* Vecto phân cực điện môi

Khi đặt điện môi trong 1 điện trường E:

- Các điện tích liên kết dương chuyển dịch theo chiều vecto E.Các điện tích liên kết

âm chuyển dịch theo chiều ngược lại

=> phân tử bị biến dạng và xuất hiện momen điện: m    q rn n

r n

qn => Hiện tượng phân cực

Xét trường hợp đặt vào trong trường đều 1 lớp điện môi phẳng song song, có kích thước vô hạn theo các phương trục x và y

(-) (-) (+) (-) (+) (+) (-) (+) (+)

Eng

Eng # 0

(+) (+)

(-) (-)

Trong đó: qn: là điện tích liên kết; rn vecto bán kính hướng từ gốc O nào đó đến điện tích n

X

Z

Y

Nhận xét:

- Trên các mặt song song của lớp điện môi xuất hiện các điện tử liên kết

- Các điện tử liên kết tạo ra 1 điện trường riêng Er

- Bên ngoài điện môi Er cùng chiều với Eng , bên trong điện môi Er ngược chiều với Er

ng r

E = E + E

  

- Độ lớn cường độ điện trường tổng:

Bên trong: E∑ = Eng – Er ; Bên ngoài: E∑ = Eng + Er

- Hiện tượng phân cực được định lượng bằng vecto phân cực điện

- Vecto phân cực điện bằng tổng các momen điện của các phân tử trong 1 đơn vị thể

N i i

m P

V





 



( N: là số phân tử trong thể tích V của điện môi )

- Điện môi đồng nhất: tại mọi điểm của điện môi có cường độ phân cực P là như nhau

Do đó:

1

.

N i i

M m P V



* Điện môi thực tế

Ta có: M = P.V = P.S.h = P.S.l.cosӨ

Mặt khác: M = Q.l = δ.S.l

Trong đó: Q: điện tích; δ: mật độ điện tích trên bề mặt điện môi do phân cực gây nên

 δ = P.cosӨ = Pn

=> Mật độ điện tích trên bề mặt điện môi do phân cực gây nên có trị số bằng thành phần pháp tuyến của vecto cường độ phân cực Pn

* Tương quan giữa  và P

Ta có phương trình Mắcxoen: 0

0

 





  

Trong đó: D: là véc tơ cảm ứng điện; E: là cường độ điện trường bên ngoài do điện áp gây nên giữa 2 điện cực

0

0

P

E



  





* Hệ số phân cực

- Khi không có Eng tác động: các momen điện của các phân tử sắp xếp ngẫu nhiên

1

0

N i i



- Khi có Eng tác động: các momen điện của các phân tử sắp xếp theo chiều tác dụng

của điện trường =>

1

# 0

N i i



=> Do đó điện trường bên trong điện môi Etr sẽ khác với điện trườn bên ngoài Eng

- Momen trung bình của các phân tử: mtb .Etr

( Trong đó α là hệ số phân cực điện môi, đặc trưng cho khả năng phân cực của các phân tử có momen điện và có đơn vị F.m2

- Xét 1 đơn vị thể tích :

1

.

N

i

P m N  E



  

  

=>

tr

P









* Các dạng phân cực

+ Phân cực nhanh: Thời gian phân cực: t = 10-12 – 10-15 s Chỉ xảy ra với các điện môi có sự phân cực điện tử hoặc phân cực ion

+ Phân cực chậm: Thời gian phân cực: t> 10-10 s Chỉ xảy ra trong điện môi có kết cấu lưỡng cực ( phân tử điện môi có trọng tâm của các điện tích dương và điện tích âm trùng nhau)

TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI

1 Phân loại dòng điện trong điện môi

Tùy theo nguyên nhân sinh ra dòng điện, người ta phân dòng điện chạy trong điện môi bao gồm những loại sau

+ Dòng điện phân cực: Do ảnh hưởng của cường độ điện trường làm cho các điện tích

trong điện môi dịch chuyển có hướng

+ Dòng điện hấp thụ: Do phân cực chậm gây nên Khi có Eng, các phân tử lưỡng cực

sẽ xoay hướng và tạo nên dòng điện hấp thụ

+ Dòng điện rò: Do sự có mặt các điện tích tự do như bụi bẩn bám trên bề mặt của

điện môi hoặc có sẵn ở bên trong chất điện môi Dưới tác dụng của điện trường, các điện tích tự do có thể dịch chuyển theo hướng của điện trường Trị số của dòng điện rò rất nhỏ

Chú ý: Dựa vào trị số dòng điện rò ( điện trở suất ρ) để đánh giá vật liệu cách điện

- Irò bé thì cách điện tốt Irò lớn thì cách điện kém

2 Điện dẫn của điện môi khí

Các điện tích tự do trong chất khí có thể là các điện tử + các ion âm, dương ( do quá trình ion hóa và kết hợp tự nhiên)

=> Đặc tính V-A của chất khí : được xác định khi đặt điện áp 1 chiều vào 2 điện cực đặt trong môi trường khí

-14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0

A B C

D Log I (A)

U (kV) Uo

+ Đặc trung 4 chế độ khác nhau:

* Vùng A:

- Dòng điện và điện áp rất nhỏ ( = 10-11 A và = 10V)

- Điện trường sinh ra không đủ lớn để tạo ra thác điện tử

- Dòng điện được tạo nên bởi các quá trình tự nhiên ( VD: năng lượng bức xạ mặt trời, các tia bức xạ,…)

- Khi không có tác nhân tự nhiên, dòng điện này sẽ không tồn tại -> điện dẫn khoogn duy trì

* Vùng B:

- Đặc trưng bởi 1 giá trị điện áp ngưỡng U0 và 1 sự tăng vọt của dòng điện

- Điện trường tác dụng chỉ đủ lớn để các điện tử tồn tại sẵn trong môi trường nhận được năng lượng và tăng tốc độ chuyển động, chúng sẽ va chạm với các phân tử trung hòa và gây nên quá trình ion hóa ( do va chạm )

- Số lượng điện tích sẽ ttawng theo hàm số mũ (gọi là thác điện tử)

- Điện dẫn trong môi trường sẽ tăng lên

* Vùng C:

- trong vùng này các điện tích tự do xung quanh 2 bề mặt điện cực ( điện tích dương ở phía cực âm, điên tích âm ở phía cực dương) sẽ tạo ra 1 điện trường ngược với điện trường tác dụng

- Điều này làm cản trở sự tăng của dòng điện khi tăng điện áp ( I= 10-4 – 10-1 A )

* Vùng D:

- Tương ứng với khu vực cường độ điện trường mạnh

- Dòng điện trở nên rất mạnh -> sự sụt mạnh của điện áp

- Vùng này gọi là vùng phóng điện chọc thủng

3 Điện dẫn của điện môi lỏng

Có 2 loại điện dẫn trong điện môi lỏng: điện dẫn ion và điện dẫn điện di

* Điện dẫn ion

+ Nguồn gốc: Ion hóa tự nhiên, quá trình phân li các phân tử của chính bản thân chất lỏng và tạp chất

Đặc tính V-A của chất lỏng

- Đường a: điện môi có lẫn tạp chât

- Đường b: điện môi tinh khiết

Phân tích:

+ 0 – Uth : điện dẫn không tự duy trì

+ > Uth : ion hóa do va chạm => điện tich tăng lên theo hàm sỗ mũ, dòng điện tăng nhanh, phóng điện trong chất lỏng

* Điện dẫn điện di

- Do các điện tich tự do có sẵn ( tạp chất ) trong điện môi gây nên khi có mặt của điện trường

Cụ thể:

+ Khi có Eng : các điện tích tự do sẽ di chuyển theo hướng của Eng gây ra chuyển động nhiệt, khi đó các tạp chất sẽ ma sát với phân tử điện môi lỏng và chúng sẽ nhiễm điện

- tạp chất > đm : tạp chất nhiễm điện dương

- tạp chất < đm : tạp chất nhiễm điện âm

+ Khi có Eng tác động: Các điện tích âm dịch chuyển về cực dương, các điện tích dương dịch chuyển về điện cực âm => dòng điện rò.Khi tiếp cận với các điện cực , các điện tích của tạp chất sẽ được trung hòa về điện

=> Kết quả: Xung quanh điện cực se tập trung số lượng tạp chất lớn Mật độc tạp chất bên trong điện môi sẽ giảm => Quá trình làm sạch điện môi

4 Điện dẫn của điện môi rắn:

Có thể là: điện dẫn ion, điện dẫn điện từ

Tổng hợp cả 2 loại trên:

=> Đi trong khối điện môi => Dòng điện khối ( IV)

=> Đi trên bề mặt điện môi => Dòng điện mặt (IS)